CN107923809B - 传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的传感器装置(1)从控制装置(10)经由电源线(Vcc)和地线(Gnd)对传感器装置(1)的电源端子(7)和接地端子(9)供电，从传感器输出端子(8)经由传感器输出线(Vout)对控制装置(10)发送传感器输出电压。控制装置(10)中配置有对传感器装置(1)供给恒定电压的恒定电压源(11)和连接在传感器输出线(Vout)与恒定电压源(11)之间的上拉电阻(12)。传感器装置(1)包括电压(Vsen)与测量物理量相应地变化的物理量检测部(2)、用从电源端子(7)供给的电源电压发生低电压的调压器(3)、以从调压器(3)供给的低电压工作并控制传感器输出端子(8)的电压的开集型的运算放大器(4)、构成对传感器输出端子(8)的电压分压的分压电路的电阻元件(5、6)。

Description

传感器装置
技术领域
本发明涉及车载用的传感器装置。
背景技术
作为车载用的传感器装置，例如有专利文献1中记载的传感器装置等。
专利文献1中，传感器装置从外部的控制装置接受电源的供给而驱动，该传感器装置将流量等在吸气管内流动的流体的物理量用模拟电压对控制装置输出。该模拟电压的电压振幅范围大致需要从0V到从控制装置供给的电源电压。另外，从控制装置供给的电源的电压多使用5V或12V。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-25731号公报
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1中记载的传感器装置将来自控制装置的电源直接用作传感器装置的信号处理电路的电源。近年来，通过应用微细加工，信号处理电路进一步高性能化。应用这样的处理电路的情况下，为了防止电路的发热等，要求降低驱动电压。但是，车载用的传感器装置中，需要以到从控制装置供给的电压为止的范围输出对控制装置的信号输出值。专利文献1中，关于实现处理电路的微细加工化、同时以作为传感器装置要求的输出范围输出存在研究的余地。
本发明鉴于上述情况得出，其目的在于提供一种能够使信号处理电路低电压化的传感器装置。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，本发明的传感器装置包括物理量检测部、输出端子和输入该物理量检测部的检测信号并将输出信号输出至该输出端子的运算放大器，所述运算放大器以比所述供给的电压更低的电压驱动，输入与所述输出信号相比电压较低的负反馈信号。
发明效果
根据本发明，能够提供一种使用以传感器装置的电源电压以下的低电压工作的信号处理电路来得到输出振幅到电源电压为止的传感器装置。
附图说明
图1是第一实施例的传感器装置的电路结构。
图2是测量物理量与传感器装置1的输出电压Vout的关系。
图3是第二实施例的传感器装置的电路结构。
图4是第三实施例的传感器装置的电路结构。
图5是第四实施例的传感器装置的电路结构。
图6是DA转换器23的电路结构。
图7是第五实施例的传感器装置的电路结构。
图8是第六实施例的传感器装置的电路结构。
具体实施方式
以下，对于本发明的实施方式，参考附图进行说明。
首先，用图1、2说明本发明的第一实施例的传感器装置。
本实施例的传感器装置1经由电源线Vcc和地线Gnd和传感器输出线Vout与控制装置10连接。传感器装置1具有与电源线Vcc连接的电源端子7、与地线Gnd连接的接地端子9和与传感器输出线Vout连接的传感器输出端子8。传感器装置1经由电源线Vcc和地线Gnd从控制装置10接受电源供给来驱动。并且，传感器装置1从传感器输出端子8经由传感器输出线Vout对控制装置10发送传感器输出电压。控制装置10具有对传感器装置1供给恒定电压的恒定电压源11和连接在传感器输出线Vout与恒定电压源11之间的上拉电阻12。传感器装置1包括电压Vsen与测量物理量相应地变化的物理量检测部2、输入经由电源端子7供给的电源电压并发生比电源电压低的电压的调压器3、以从调压器3供给的低电压工作并控制传感器输出端子8的电压的开集型的运算放大器4、构成对传感器输出端子8的电压分压的分压电路的电阻元件5、6。另外，物理量检测部2中使用压强传感器、加速度传感器、角速度传感器、空气流量传感器等。
接着，用图2对传感器装置1的输出信号和调压器3的输出电压进行说明。传感器装置1与物理量检测部2测量的测量物理量相应地使从传感器输出端子8输出的输出信号即电压变化。此处，传感器装置1的输出范围是测量物理量的要求测量范围，需要大致从0V变化至电源端子7的电压Vcc。另外，从调压器3对运算放大器4供给的输出电压Vreg是比传感器输出端子8的最大电压低的电压。因此，运算放大器4以比传感器输出端子8的最大电压低的电压Vreg驱动。
接着，对于本实施例的传感器装置1的动作进行说明。物理量检测部2与测量物理量相应地输出从0V到Vreg(调压器3的输出电压)的模拟电压Vsen。该模拟电压Vsen与运算放大器4的同相输入连接。运算放大器4控制输出MOS晶体管来控制传感器输出端子8的电压。与传感器输出端子8连接的传感器输出线Vout经由上拉电阻12与电源线Vcc连接。因此，通过使运算放大器4的输出MOS晶体管的导通电阻变化，能够使传感器输出端子8的输出电压从0V变化至电源端子7的电压Vcc。在传感器输出端子8与运算放大器4的反相输入之间，设置有由电阻5、6构成的电阻电路。通过电阻元件5、6分压得到的传感器输出端子8的电压被输入至运算放大器4的反相输入，对运算放大器4施加负反馈。结果，物理量检测部2的输出模拟电压Vsen按照与由电阻元件5、6决定的分压比相应的放大率放大，按图2所示的特性输出。此时，对运算放大器4的电源如图2所示地供给低电压的电压Vreg。因此，本实施例中，运算放大器4的同相输入范围比电压Vreg低，由电阻元件5、6决定的负反馈电压决定为处于运算放大器4的同相输入范围内。即，即使传感器输出端子8的电压Vout从0V变化至电压Vcc，也使通过电阻电路分压生成的负反馈电压处于运算放大器4的同相输入范围内。由此，本实施例的传感器装置1中，即使使用以从调压器3供给的低电压的电源工作的运算放大器4，也能够使传感器输出端子8的电压从0V变化至电源端子7的电压Vcc。
接着说明本实施例的效果。首先，第一效果是能够使运算放大器4的驱动电压低电压化。由此，能够以微细加工制造运算放大器4，能够缩小芯片尺寸。另外，通过微细加工化能够使用高性能的MOS晶体管，所以能够使运算放大器4性能更高。另外，因为运算放大器4能够用微细加工制造，所以能够在与运算放大器4同一个半导体芯片中配置大规模的逻辑电路。因此，能够使传感器装置1面积小同时具有复杂的功能。接着，第二效果是能够容易地保护因微细加工化而噪声耐性降低的运算放大器4的输入电路。传感器输出端子8经由传感器输出线Vout与控制装置10连接，但输出线Vout引出较长距离，从存在于输出线Vout周边的噪声源等对输出线Vout施加外来噪声。因此，在因微细加工化而噪声耐性降低并且不采取任何对策的情况下，存在经由电源线对传感器输出端子8施加噪声电压、破坏传感器装置1的风险。但是，本实施例中的传感器装置1通过用由电阻元件5、6构成的分压电路(电阻电路)对该噪声电压分压而使其降低。因此，本实施例中，具有用电阻元件5的电阻自身降低噪声电流、同时用因电阻元件5的电阻和电阻元件5中寄生存在的电容而产生的时间常数降低噪声电压的效果。通过该效果能够容易地保护因微细加工化而噪声耐性降低的运算放大器4的输入电路。另外，电阻元件5、6的电阻值越高则该效果越好，优选为10kΩ以上。另外，为了提高电阻元件5、6进行的分压实现的降低噪声电压的效果，优选使电阻元件6的一端与地连接。
本实施例中，作为运算放大器4说明了开集型的，但也可以是开漏型的。
接着，用图3说明本发明的第二实施例的传感器装置。另外，图3是第二实施例的传感器装置的电路结构。
第二实施例的传感器装置与第一实施例的传感器装置是基本相同的结构，但施加了以下改良。本实施例中，附加齐纳二极管13、14而提高了运算放大器4的输入电路的保护性能。运算放大器4的输入电路如第一实施例1中所说明被电阻元件5、6保护，但通过附加齐纳二极管13、14而进一步提高了噪声耐性。另外，对齐纳二极管13、14施加噪声时流过的电流被电阻元件5、6限制，所以能够使尺寸较小。
接着，用图4说明本发明的第三实施例的传感器装置。另外，图4是第三实施例的传感器装置的电路结构。
第三实施例的传感器装置与第一实施例的传感器装置是基本相同的结构，但施加了以下改良。本实施例中，附加了电阻型的物理量检测元件16、将电源端子7与物理量检测元件16之间连接的电阻元件15、与电阻元件15的一端连接并保护物理量检测元件16不受电源噪声影响的齐纳二极管17、18、将物理量检测元件16的输出电压放大的放大器19。另外，放大器19的电源从调压器3的输出电压Vreg供给。另外，电阻型的物理量检测元件16由电阻元件构成电桥电路，电桥电路的输出电压因电阻值与测量物理量相应地变化而变化。
接着，对于第三实施例的传感器装置的动作进行说明。本实施例中，电阻型的物理量检测元件16的电源从电源端子7经由电阻元件15连接。因此，物理量检测元件16的电压因为连接了电阻元件15而降低，处于以调压器3的低电压电源工作的放大器19的输入范围内。另外，物理量检测元件16的输出与电源端子7的电压Vcc成正比。另外，物理量检测元件16的输出经由放大器19和运算放大器4对传感器输出端子8输出。因此，传感器输出端子8的输出电压成为与电源端子7的电压Vcc成正比的比率计量(ratiometric)特性。比率计量特性是汽车用传感器等中经常使用的特性。即，本实施例的传感器装置1中能够使内部的信号处理电路(放大器19和运算放大器4)的电源电压低电压化，同时能够得到比率计量特性。
接着对于本实施例的效果进行说明。首先，第一效果是能够使内部的信号处理电路(放大器19和运算放大4)的电源电压低电压化。由此，能够用微细加工制造信号处理电路(放大器19和运算放大4)，能够缩小芯片尺寸。另外，通过微细加工化能够使用高性能的MOS晶体管，所以能够实现信号处理电路(放大器19和运算放大4)的高性能化。另外，信号处理电路(放大器19和运算放大4)能够用微细加工制造，所以能够在与信号处理电路(放大器19和运算放大4)同一个芯片中配置大规模的逻辑电路，能够使传感器装置1具有复杂的功能。接着，第二效果是能够容易地保护因微细加工化而噪声耐性降低的放大器19的输入电路。电源端子7经由电源线Vcc与控制装置10连接，但电源线Vcc引出较长距离，存在因电源线Vcc周边存在噪声源等而对电源线Vcc施加外来噪声并在电源端子7中发生噪声电压、破坏传感器装置1的可能性。但是，本传感器装置1中通过用由电阻元件15和物理量检测元件16构成的分压电路对该噪声电压分压而使其降低，具有用电阻元件15的电阻自身降低噪声电流、同时用因电阻元件15的电阻和电阻元件15中寄生存在的电容而产生的时间常数降低噪声电压的效果。通过该效果能够容易地保护因微细加工化而噪声耐性降低的放大器19的输入电路。另外，电阻元件15的电阻值越高则该效果越好，优选为10kΩ以上。另外，通过附加齐纳二极管17、18而进一步提高了噪声耐性。接着，第三效果是能够得到比率计量特性。比率计量特性能够使控制装置10的AD转换电路简化，所以是汽车用传感器中经常使用的特性。
接着，用图5、6说明本发明的第四实施例的传感器装置。另外，图5是第四实施例的传感器装置的电路结构，图6是DA转换器23的电路结构。
第四实施例的传感器装置与第一实施例的传感器装置是基本相同的结构，但施加了以下改良。本实施例中，对于来自物理量检测部2的信号用运算单元24数字地进行处理，对于数字信号用电阻型的DA转换器23转换为模拟信号并经由运算放大4发生传感器输出端子8的电压。此处，在电阻型的DA转换器23与电源端子7之间附加了电阻元件22和保护DA转换器23不受电源噪声影响的齐纳二极管20、21。另外，DA转换器23的电源从调压器3的输出电压Vreg供给。
接着根据图6说明电阻型的DA转换器23的结构。DA转换器23包括基准电源端子25、连接在基准电源端子25与地之间的电阻26、27、28、29、30、31、32、输入来自运算单元24的数字值的数字输入端子33、对来自数字输入端子33的信号进行解码的解码器34、用来自解码器34的信号控制通断的选择电阻26、27、28、29、30、31、32的各连接点的开关35、36、37、38、39、40、41、42。
接着，对于第三实施例的传感器装置的动作进行说明。本实施例中，通过对来自物理量检测部2的信号用运算单元24数字地进行处理，能够进行更高精度的校正。结果，改善了温度特性和非线性等，提高了传感器装置1的测量精度。另外，通过经由电阻元件22使DA转换器23与电源端子7连接而使DA转换器23具有比率计量特性。另外，通过使电阻元件22与DA转换器23连接，而使对DA转换器23施加的电压降低，使其能够以调压器3的低电压电源工作并且处于以调压器3的低电压电源工作的运算放大器4的输入范围内。
接着对本实施例的效果进行说明。首先，第一效果是能够使内部的信号处理电路(运算单元24、DA转换器23、运算放大4)的电源电压低电压化。由此，能够用微细加工制造信号处理电路，能够缩小芯片尺寸。另外，通过微细加工化能够使用高性能的MOS晶体管，所以能够实现信号处理电路的高性能化。接着，第二效果是能够容易地保护因微细加工化而噪声耐性降低的DA转换器23。电源端子7如上所述被施加外来噪声，存在破坏传感器装置1的可能性。但是，本传感器装置1中通过用由电阻元件22和DA转换器23构成的分压电路对该噪声电压分压而使其降低，具有用电阻元件22的电阻自身降低噪声电流、同时用因电阻元件22的电阻和电阻元件22中寄生存在的电容而产生的时间常数降低噪声电压的效果。通过该效果能够容易地保护因微细加工化而噪声耐性降低的DA转换器23。另外，通过附加齐纳二极管20、21而进一步提高了噪声耐性。接着，第三效果是能够得到比率计量特性。
接着，用图7说明本发明的第五实施例的传感器装置。另外，图7是第五实施例的传感器装置的电路结构。
第五实施例的传感器装置与第四实施例的传感器装置是基本相同的结构，但施加了以下改良。本实施例中，运算放大器4作为反相放大使用。因此，在DA转换器23的输出与运算放大器4的反相输入之间配置电阻44，在电阻元件5、6的连接点与运算放大4的反相输入之间配置电阻45，在电阻元件22与DA转换器23的连接点与地之间配置电阻元件46、47，使电阻元件46、47的连接点与运算放大器4的同相输入连接。
本实施例中将运算放大4作为反相放大器使用。因此，能够减小运算放大器4的反相输入和同相输入的电压变化。电源电压越降低，运算放大器4的同相输入范围越窄。从而，为了使运算放大器4的电源电压进一步低电压化，优选作为即使同相输入范围窄也可以工作的反相放大器使用。即，本实施例中通过将运算放大4作为反相放大器使用能够使运算放大器4的电源电压进一步低电压化，能够实现进一步的工艺微细化。
接着，用图8说明本发明的第六实施例的传感器装置。另外，图8是第六实施例的传感器装置的电路结构。
第六实施例的传感器装置与第五实施例的传感器装置是基本相同的结构，但施加了以下改良。本实施例中在将运算放大器4作为反相放大器使用时利用了电阻元件44、45，但本实施例中由开关电容电路构成。因此，配置开关48、50和电容器49代替电阻44，配置开关51、53和电容器52代替电阻45，为了系统稳定化而在运算放大4的反相输入与传感器输出端子8之间配置电容器54。第五实施例中，因为电阻元件5、6、45相互影响而在传感器输出端子8的特性中产生非线性。为了降低该非线性需要使电阻45相对于电阻5、6充分大，但在集成电路内电阻比存在极限。为了解决该问题，本实施例中使用开关电容电路代替电阻元件。开关电容电路能够容易地生成较高的等价电阻。因此，本实施例中能够显著地降低传感器输出端子8的非线性。
符号说明
1…传感器装置，2…物理量检测部，3…调压器，4…运算放大器，5…电阻元件，6…电阻元件，7…电源端子，8…传感器输出端子，9…接地端子，10…控制装置，11…恒定电压源，12…上拉电阻，13…齐纳二极管，14…齐纳二极管，15…电阻元件，16…物理量检测元件，17…齐纳二极管，18…齐纳二极管，19…放大器，20…齐纳二极管，21…齐纳二极管，22…电阻元件，23…DA转换器，24…运算单元，25…基准电源端子，26…电阻，27…电阻，28…电阻，29…电阻，30…电阻，31…电阻，32…电阻，33…数字输入端子，34…解码器，35…开关，36…开关，37…开关，38…开关，39…开关，40…开关，41…开关，42…开关，43…输出端子，44…电阻元件，45…电阻元件，46…电阻元件，47…电阻元件，48…开关，49…电容器，50…开关，51…开关，52…电容器，53…开关，54…电容器。

Claims (10)

1.一种与车载装置连接并从该车载装置接受供电而驱动的传感器装置，其特征在于，包括：
物理量检测部，其输出检测信号；
输出端子；
运算放大器，其输入来自该物理量检测部的检测信号并将输出信号输出至该输出端子；
调压器，其经电源端子输入由所述车载装置供给的电压并将比该电压低的电压供给至运算放大器的电源；和，
具有多个电阻的电阻电路，其输入来自所述运算放大器的输出信号，对所述运算放大器输出电压比所述输出信号低的负反馈信号，
所述物理量检测部中使用压强传感器、加速度传感器、角速度传感器或空气流量传感器，
所述运算放大器控制输出MOS晶体管来控制所述输出端子的电压，与所述输出端子连接的传感器输出线经由上拉电阻与所述电源端子连接，通过使所述运算放大器的输出MOS晶体管的导通电阻变化，可使所述输出端子的输出电压从0V变化至由所述车载装置供给的电压。
2.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于：
所述物理量检测部是电阻型的检测元件，
在电源端子与所述检测元件之间具有电阻元件。
3.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，包括：
将基于由所述物理量检测部检测出的信号的数字信号转换为模拟信号的电阻型的DA转换器；和
将所述DA转换器与电源端子连接的电阻元件。
4.如权利要求3所述的传感器装置，其特征在于：
在所述DA转换器与所述电阻元件之间连接保护二极管。
5.如权利要求1～4中任一项所述的传感器装置，其特征在于：
所述运算放大器是反相型的放大电路。
6.如权利要求5所述的传感器装置，其特征在于：
所述运算放大器具有开关电容电路。
7.一种传感器装置，其特征在于，包括：
运算放大器，其经输出端子输出输出信号；
调压器，其经电源端子被供给电压并将比该电压低的电压供给至运算放大器的电源；和
具有多个电阻的电阻电路，其输入来自所述运算放大器的输出信号，对所述运算放大器输出与该输出信号相比较低的电压，
所述运算放大器以从所述调压器输出的电压驱动，且以从所述电阻电路输出的电压作为负反馈信号，
所述运算放大器控制输出MOS晶体管来控制所述输出端子的电压，与所述输出端子连接的传感器输出线经由上拉电阻与所述电源端子连接，通过使所述运算放大器的输出MOS晶体管的导通电阻变化，可使所述输出端子的输出电压从0V变化至经所述电源端子供给的电压。
8.如权利要求7所述的传感器装置，其特征在于：
在所述电阻电路与所述运算放大器之间连接保护二极管。
9.如权利要求7或8所述的传感器装置，其特征在于：
所述运算放大器是反相型的放大电路。
10.如权利要求9所述的传感器装置，其特征在于：
所述运算放大器具有开关电容电路。
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